CN109274332A - 一种串联型光伏电板遮挡自动检测***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种串联型光伏电板遮挡自动检测***及方法，包括嵌入控制模块、电压测量模块Vsensor、电压测量模块Vload、程控开光阵列、用于产生电能的N+1块光伏电板(M1…MN+1)和负载，用于发电的N+1块光伏电板(M1…MN+1)通过串联的方式连接，程控开关阵列的通信控制接口与嵌入式控制模块的I/O口相连，通过嵌入式控制模块控制开关的通断。程控开光阵列的N维开关(1…N)分别与N块光伏电板(M1…MN)的正端相联。本发明通过嵌入式控制***对光伏电板电压测量及矩阵开关控制实现了对串型光伏电板遮挡的片数以及阴影遮挡率的预测，实现高的识别率、长时间不间断测量，节省评估光伏电板遮挡情况的成本。
Description
技术领域
本发明涉及光伏领域，具体涉及一种串联型光伏电板遮挡自动检测***及方法。
背景技术
在光伏***中，光伏电板经常被飘过的云，邻近建筑物的影子，树木或者长期积累的灰尘所遮挡。光伏电板被遮挡后会直接影响光伏供电***的输出功率。光伏电板被遮挡的情况可以用辐照度计去测量和评估，由于在实际工业应用中大量的辐照度计成本过高，因此很难被应用。文献[1]通过输出功率的突然变化来识别光伏电板的遮挡，这个方法很难去识别快速变化的气候情况。文献[2]通过测量光伏电板的串电压和每一块光伏电板的电压值以及分析其关系来判别遮挡情况，这样的方法需要使用大量的电压表，不能够被实际的光伏发电统应用。
[1]H.Zheng,S.Li,R.Challoo,and J.Proano.Shading and bypass diodeimpacts to energy extraction of pv arrays under different converter configu-rations.Renewable Energy,68:58–66,2014.
[2]J.Ma,Tianjiao Zhang,Yu Shi,Xingshuo Li,and Huiqin Wen.Shadingpattern detection using electrical characteristics of photovoltaicstrings.In2016IEEE International Conference on Power Electronics,Drives andEn-ergy Systems(PEDES),pages 1–4,Dec 2016.。
发明内容
本发明目的是：本发明提出了一种串联型光伏电板遮挡自动检测***，通过嵌入式控制***对光伏电板电压测量及矩阵开关控制实现了对串型光伏电板遮挡的片数以及阴影遮挡率的预测，***不仅能够实现高的识别率，而且每一串光伏电板只需要采用2个电压采集模块以及一个开关矩阵就能够完成阴影遮挡片数的识别，并且可以进行长时间不间断测量，大大节省了评估光伏电板遮挡情况的成本。
本发明的技术方案是：一种串联型光伏电板遮挡自动检测***，包括嵌入控制模块、电压测量模块Vsensor、电压测量模块Vload、程控开光阵列、用于产生电能的N+1块光伏电板(M1…MN+1)和负载，用于发电的N+1块光伏电板(M1…MN+1)通过串联的方式连接，光伏电板M1的负端和光伏电板MN+1的正端分别与负载相连接，电压测量模块Vload的测量的正极和负极分别与光伏电板M1的负端和光伏电板MN+1的正端相连，电压测量模块Vload的另外一端接口与嵌入控制模块相连，电压测量模块Vsensor的负极与光伏电板M1的负端相联，正极与程控开关阵列的开关输入端相连，电压测量模块Vsensor另一个端通信接口与嵌入式控制模块相连，程控开关阵列是一个N维的单多掷开关，维数N可以通过嵌入式控制模块设置，程控开关阵列的通信控制接口与嵌入式控制模块的I/O口相连，通过嵌入式控制模块控制开关的通断。程控开光阵列的N维开关(1…N)分别与N块光伏电板(M1…MN)的正端相联。
在一个实施例中，所述嵌入式控制模块包括
电压读取模块，用于读取电压测量模块Vsensor和电压测量模块Vload的电压值；
分析处理模块，对电压测量模块Vsensor和电压测量模块Vload的电压值分析处理后，通断程控开关阵列的开关，并且评估出该串正在工作的光伏电板(M1…MN+1)中未被遮挡的光伏电板的片数Ninsolated，以及光伏电板串列的遮挡率χ。
本发明还提供一种串联型光伏电板遮挡自动检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：嵌入式控制模块初始化***参数；
S2：嵌入式控制模块读取电压测量模块Vsensor的电压值Vsensor，读取电压测量模块Vload的电压值Vload，进入S3；
S3：判断Vsensor与门限电压VTH的关系，如果Vsensor大于VTH，光伏电板被遮挡情况评估程序进入S5；如果Vsensor的电压值小于等于VTH，进入S4；
S4：判断程控阵列开关闭合开光的索引码KeyIndex与N之间的关系，如果KeyIndex小于N，程控整列开关的开关断开当前开关，闭合下一个开关即KeyIndex加1，进入S2；如果KeyIndex大于等于N，则只有一块光伏电板M+1一块能够正常工作，即Ninsolated等于1，Vstd等于Vload减去Vsensor，进入S2；
S5：判断Vsensor与参考电压Vstd之间的关系，如果Vsensor大于等于Vstd的β倍，则表示阴影遮挡情况出现了变化，***需要初始化后重新判断，进入S1，如果Vsensor小于Vstd的β倍，则确定未被遮挡的光伏电板片数光伏电板遮挡率进入S2；
其中，Vstd：参考电压，用于比较光伏电板的遮挡情况是否有变动；
β：系数值，用于指示光伏电板变动的情况的灵敏度，推荐取值为2；
VTH：门限电压，用于比较光伏电板是否遮挡；一般取值为1～2V；
KeyIndex：程控阵列开关闭合开光的索引码，如KeyIndex＝1，则程控开关阵列的开关1闭合，其余开关全部打开；
Ninsolated：未被遮挡的光伏电板的片数；
Vload：嵌入式控制模块读取电压测量模块Vload的电压值；
Vsensor：嵌入式控制模块读取电压测量模块Vsensor的电压值；
χ：光伏电板串列的遮挡率，范围0～100％。
在一个实施例中，所述步骤S1具体为：未被遮挡的光伏电板的片数Ninsolated为0，被遮挡率χ为0，控制程阵列列开关的开关1闭合其余的开关全部打开，记作KeyIndex为1，读取电压测量模块Vload的电压值Vload，设置变化参考电压Vstd等于Vload，如果Vload大于VTH进入S2，如果Vload小于VTH，则整串光伏电板全部被遮挡，Ninsolated等于0，返回S1。
本发明的优点是：本发明利用利用极少的电压表，能够快速准确的评估光伏发电***中光伏电板的每一串被遮挡的片数和遮挡率，这个方法大大的降低了光伏发电***故障诊断的成本，而且让光伏发电***能够及时快速地找到最大功率点。并且本发明的程控开关阵列适应性强，不仅能让人们享受高品质电力，更能保护境，节约能源，本发明可广泛应用于光伏发电技术领域。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明实施例串联型光伏电板遮挡自动检测***框图；
图2是本发明实施例串联型光伏电板遮挡自动检测***动态光伏电板遮挡实验示意图；
图3是本发明实施例串联型光伏电板遮挡自动检测方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种串联型光伏电板遮挡自动检测***，包括嵌入控制模块、电压测量模块Vsensor、电压测量模块Vload、程控开光阵列、用于产生电能的N+1块光伏电板(M1…MN+1)和负载，用于发电的N+1块光伏电板(M1…MN+1)通过串联的方式连接，光伏电板M1的负端和光伏电板MN+1的正端分别与负载相连接，电压测量模块Vload的测量的正极和负极分别与光伏电板M1的负端和光伏电板MN+1的正端相连，用来测量光伏电板(M1…MN+1)的整串电压(即负载电压)，电压测量模块Vload的另外一端接口与嵌入控制模块相连，用于负载电压的读取，以及电压表的测量控制。电压测量模块Vsensor的负极与光伏电板M1的负端相联，正极与程控开关阵列的开关输入端相连，电压测量模块Vsensor与程控开关阵列结合用于测量光伏电板(M1…MN+1)的子串电压。电压测量模块Vsensor另一个端通信接口与嵌入式控制模块相连用于光伏电板(M1…MN+1)的子串电压。程控开关阵列是一个N维的单多掷开关，维数N可以通过嵌入式控制模块设置。程控开关阵列的通信控制接口与嵌入式控制模块的I/O口相连，通过嵌入式控制模块控制开关的通断。程控开光阵列的N维开关(1…N)分别与N块光伏电板(M1…MN)的正端相联。所述嵌入式控制模块包括：电压读取模块，用于读取电压测量模块Vsensor和电压测量模块Vload的电压值；分析处理模块，对电压测量模块Vsensor和电压测量模块Vload的电压值分析处理后，根据处理策略对程通断程控开关阵列的开关，并且评估出该串正在工作的光伏电板(M1…MN+1)中未被遮挡的光伏电板的片数Ninsolated，以及光伏电板串列的遮挡率χ。
本发明还提供一种串联型光伏电板遮挡自动检测方法，包括如下步骤：
S1：嵌入式控制模块初始化***参数：未被遮挡的光伏电板的片数Ninsolated为0，被遮挡率χ为0，控制程阵列列开关的开关1闭合其余的开关全部打开，记作KeyIndex为1，读取电压测量模块Vload的电压值Vload，设置变化参考电压Vstd等于Vload，如果Vload大于VTH进入S2，如果Vload小于VTH，则整串光伏电板全部被遮挡，Ninsolated等于0，返回S1；
S2：嵌入式控制模块读取电压测量模块Vsensor的电压值Vsensor，读取电压测量模块Vload的电压值Vload，进入S3；
S3：判断Vsensor与门限电压VTH的关系，如果Vsensor大于VTH，光伏电板被遮挡情况评估程序进入S5；如果Vsensor的电压值小于等于VTH，进入S4；
S4：判断程控阵列开关闭合开光的索引码KeyIndex与N之间的关系，如果KeyIndex小于N，程控整列开关的开关断开当前开关，闭合下一个开关即KeyIndex加1，进入S2；如果KeyIndex大于等于N，则只有一块光伏电板M+1一块能够正常工作，即Ninsolated等于1，Vstd等于Vload减去Vsensor，进入S2；
S5：判断Vsensor与参考电压Vstd之间的关系，如果Vsensor大于等于Vstd的β倍，则表示阴影遮挡情况出现了变化，***需要初始化后重新判断，进入S1，如果Vsensor小于Vstd的β倍，则确定未被遮挡的光伏电板片数光伏电板遮挡率进入S2；
其中，Vstd：参考电压，用于比较光伏电板的遮挡情况是否有变动；
β：系数值，用于指示光伏电板变动的情况的灵敏度，推荐取值为2；
VTH：门限电压，用于比较光伏电板是否遮挡；一般取值为1～2V；
KeyIndex：程控阵列开关闭合开光的索引码，如KeyIndex＝1，则程控开关阵列的开关1闭合，其余开关全部打开；
Ninsolated：未被遮挡的光伏电板的片数；
Vload：嵌入式控制模块读取电压测量模块Vload的电压值；
Vsensor：嵌入式控制模块读取电压测量模块Vsensor的电压值；
χ：光伏电板串列的遮挡率，范围0～100％。
上述实施例进一步具体的，使用4片10W的光伏电板(M1-M4)，光伏电板的基本参数(Isc＝1.23A，Voc＝10.71V)，将四片光伏电板进行串联连接，使用的电子负载型号为(ITECH IT8512A)，使用的嵌入式控制器型号为UDOO NEO FULL，已经使用继电器设计了开关矩阵，采用的电压采集模块通过RS485总线与嵌入式控制器相联，实验在纬度31.2745°，经度120.7383°的位置进行，时间约为傍晚16：20，空气温度为31摄氏度，正常的光伏电板收到的太阳辐照度约为600W/m2,被遮挡后的光伏电板收到的太阳辐照度约为55W/m2,电子负载设置在5000欧姆。
(1)静态光伏电板遮挡测试，对光伏电板(M1-M4)，用“1”表示被遮挡的光伏电板，“0”表示未被遮挡的光伏电板。如“1000”表示光伏电板M1被遮挡，其余的M2-M4未被遮挡。实验结果如表1所示，实验结果表明本发明提出的***能够100％识别未被遮挡的光伏电板的片数。
表1静态遮挡光伏电板的实验结果
(2)动态光伏电板遮挡测试，如图2所示，采用固伟的GDS-2202A示波器来动态的记录电压采集模块Vload和电压采集模块Vsensor的电压值。未被遮挡的光伏电板片数Ninsolated通过计算获得，图2中用电压表的放置指示了***程控开关阵列的闭合位置。试验结果显示T1时刻M1-M4均未被遮挡，即Ninsolated等于4，T2时刻Ninsolated等于3，T3时刻光伏电板的遮挡情况发生变化，即遮挡片数增加被自动检测***识别，并与T4时刻测量出未被遮挡的光伏电板片数为2片，T5时刻光伏电板的遮挡情况又一次发生变化，即遮挡的片数减少，被***识别，并在T6时刻正确的评估出了未被遮挡的光伏电板为3片。实验表明本发明的***能够快速正确的评估出每一串光伏电板被遮挡的片数。
本发明所能达到的效果：
(1)***采用了程控开光阵列来控制电压模块的连接关系，使电压的测量适应各种情况，满足于各类光伏***的光伏电板遮挡诊断。
(2)***能够全天候地实时监测与反馈，测量时间短，精度高。
(3)采用了两个电压表和一个开关阵列，来测量N个串型光伏电板遮挡的情况，大大地节省了工业测量的成本，使得光伏电板故障测量成本更低，效率更高。
采用了自适应的方法，能够对快速变化的光伏电板阴影遮挡情况(如云朵的飘过等情况)，作出实时准确的判断。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种串联型光伏电板遮挡自动检测***，其特征在于，包括嵌入控制模块、电压测量模块Vsensor、电压测量模块Vload、程控开光阵列、用于产生电能的N+1块光伏电板(M1…MN+1)和负载，用于发电的N+1块光伏电板(M1…MN+1)通过串联的方式连接，光伏电板M1的负端和光伏电板MN+1的正端分别与负载相连接，电压测量模块Vload的测量的正极和负极分别与光伏电板M1的负端和光伏电板MN+1的正端相连，电压测量模块Vload的另外一端接口与嵌入控制模块相连，电压测量模块Vsensor的负极与光伏电板M1的负端相联，正极与程控开关阵列的开关输入端相连，电压测量模块Vsensor另一个端通信接口与嵌入式控制模块相连，程控开关阵列是一个N维的单多掷开关，维数N可以通过嵌入式控制模块设置，程控开关阵列的通信控制接口与嵌入式控制模块的I/O口相连，通过嵌入式控制模块控制开关的通断。程控开光阵列的N维开关(1…N)分别与N块光伏电板(M1…MN)的正端相联。
2.如权利要求1所述串联型光伏电板遮挡自动检测***，其特征在于，所述嵌入式控制模块包括
电压读取模块，用于读取电压测量模块Vsensor和电压测量模块Vload的电压值；
分析处理模块，对电压测量模块Vsensor和电压测量模块Vload的电压值分析处理后，通断程控开关阵列的开关，并且评估出该串正在工作的光伏电板(M1…MN+1)中未被遮挡的光伏电板的片数Ninsolated，以及光伏电板串列的遮挡率χ。
3.一种串联型光伏电板遮挡自动检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：嵌入式控制模块初始化***参数；
S2：嵌入式控制模块读取电压测量模块Vsensor的电压值Vsensor，读取电压测量模块Vload的电压值Vload，进入S3；
S3：判断Vsensor与门限电压VTH的关系，如果Vsensor大于VTH，光伏电板被遮挡情况评估程序进入S5；如果Vsensor的电压值小于等于VTH，进入S4；
S4：判断程控阵列开关闭合开光的索引码KeyIndex与N之间的关系，如果KeyIndex小于N，程控整列开关的开关断开当前开关，闭合下一个开关即KeyIndex加1，进入S2；如果KeyIndex大于等于N，则只有一块光伏电板M+1一块能够正常工作，即Ninsolated等于1，Vstd等于Vload减去Vsensor，进入S2；
S5：判断Vsensor与参考电压Vstd之间的关系，如果Vsensor大于等于Vstd的β倍，则表示阴影遮挡情况出现了变化，***需要初始化后重新判断，进入S1，如果Vsensor小于Vstd的β倍，则确定未被遮挡的光伏电板片数光伏电板遮挡率进入S2；
其中，Vstd：参考电压，用于比较光伏电板的遮挡情况是否有变动；
β：系数值，用于指示光伏电板变动的情况的灵敏度，推荐取值为2；
VTH：门限电压，用于比较光伏电板是否遮挡；一般取值为1～2V；
KeyIndex：程控阵列开关闭合开光的索引码，如KeyIndex＝1，则程控开关阵列的开关1闭合，其余开关全部打开；
Ninsolated：未被遮挡的光伏电板的片数；
Vload：嵌入式控制模块读取电压测量模块Vload的电压值；
Vsensor：嵌入式控制模块读取电压测量模块Vsensor的电压值；
χ：光伏电板串列的遮挡率，范围0～100％。
4.如权利要求3所述串联型光伏电板遮挡自动检测方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：未被遮挡的光伏电板的片数Ninsolated为0，被遮挡率χ为0，控制程阵列列开关的开关1闭合其余的开关全部打开，记作KeyIndex为1，读取电压测量模块Vload的电压值Vload，设置变化参考电压Vstd等于Vload，如果Vload大于VTH进入S2，如果Vload小于VTH，则整串光伏电板全部被遮挡，Ninsolated等于0，返回S1。
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